Измерение относительной влажности и активности воды

Современные микропроцессорные гигрометры используют результаты определения относительной влажности и температуры для расчета других параметров, таки как точка росы, соотношение смеси, энтальпия и т.д. Данные преобразования имеют определенную погрешность, величина которой зависит от условий влажности и температуры. Типичные кривые погрешностей для расчета точки росы приведены на следующем графике:

Точность расчета точки росы с использованием гигрометров меньше той, что обычно можно достичь с применением приборов, работающих на принципе охлаждаемого зеркала. Это особенно верно для низких значений точки росы (более чем -40…-50 °C) и для низких температур. В большинстве приложений, воспроизводимость показаний важнее их правильности. Воспроизводимость расчета точки росы обычно составляет 1/3 от указанной выше погрешности. Использование расчетной точки росы позволяет производить измерения в условиях, когда неприменимы приборы с охлаждаемым зеркалом. Обычно, измерительная часть приборов с охлаждаемым зеркалом ограничена в условиях эксплуатации температурами до 70 °C. В дополнение к возможностям работать при высоких температурах, датчики относительной влажности имеют ряд значительных преимуществ для промышленных применений: меньше требований к обслуживанию, большая устойчивость к загрязнениям, отсутствие системы пробоотбора, отсутствие проблем с идентификацией росы и инея, и лучший отклик для быстро изменяющихся условий.

Активность воды: определения и области применения

Определения
Вода - составная часть всех пищевых продуктов. Технологические свойства, интегральный показатель качества и сроки хранения пищевых продуктов во многом определяется свойствами содержащейся в них воды.
W.J.Scott предложил использовать показатель "активность воды", который определяется как отношение парциального давления паров воды над продуктом к парциальному давлению водяного пара над чистой водой при данной температуре. На основании целого ряда исследований установлено, что показатель "активность воды" отражает степень активного участия воды в различных процессах, происходящих в пищевом продукте. В настоящее время экспериментальные данные позволяют заключить, что уровень активности воды оказывает влияние на интенсивность проходящих в продукте таких реакций, как окисление липидов, меланоидинообразование, активность ферментативных, микробиологических и других процессов.
Учитывая важность и большую информационность показателя активности воды, в странах Объединенной Европы его определение, наряду с показателями "влажность" и "концентрация водородных ионов", является обязательным при экспертизе ряда продуктов, а в США определение активности воды включено в инструкцию по контролю качества пищевых продуктов, а также лекарственных средств и препаратов.
В большинстве случаев, активность воды является функцией влагосодержания, химического состава, структуры, фазового состояния и температуры продукта. Для жидких сред за стандартное состояние принимается чистый растворитель.

Содержание влаги в продукте может быть определено как массовый процент воды по отношении к массе сухого продукта.
Продукты, в которых может содержаться влага, могут быть подразделены на две категории: гигроскопичные и негигроскопичные. К гигроскопичным материалам относятся соли, растительные волокна, большинство оксидов металлов, множество полимеров и т.д. Типичными представителями негигроскопичных материалов являются порошки металлов, стеклянные гранулы и т.д.
В отношении содержания влаги в продукте мы определили статическое равновесие как сочетание условий, при котором продукт больше не обменивается влагой с окружающим воздухом. В условиях статического равновесия, содержание влаги гигроскопичного продукта зависит от природы продукта и следующих двух факторов:
(a) парциального давления паров воды непосредственно окружении продукта
(b) температуры продукта
Если содержание влаги в продукте не зависит от этих двух факторов, то продукт негигроскопичен.
Гигроскопичные продукты могут поглощать влагу различными путями: сорбция с образованием гидрата, удерживаемого за счет поверхностной энергии, диффузия молекул воды в структуру материала, капиллярная конденсация, образование растворов и т.д. В зависимости от типа абсорбционного процесса, вода может более или менее прочно удерживаться продуктом. Содержащаяся в продукте влага может включать как иммобилизованную часть (например, воду в виде гидратов), так и активную (не связанную химически) часть.
Активность воды Aw (или равновесная относительная влажность %ERH) измеряет давление паров, генерируемое влагой, присутствующей в гигроскопичном продукте.
Aw = p / ps и %ERH = 100 x Aw, где:
p : парциальное давление паров воды над поверхностью продукта
ps : давление насыщения, или парциальное давление паров над чистой водой при температуре продукта
Активность воды отражает активную часть содержащейся влаги, или часть, которой продукт при нормальных условиях может обмениваться с окружающей средой.
Активность воды обычно определяется в условиях статического равновесия. При этих условиях, парциальное давление паров воды (p) у поверхности продукта равно парциальному давлению паров воды в окружающей продукт среде. Любой обмен влагой между продуктом и окружающей средой определяется различием между этим двумя давлениями.
Пары воды могут также присутствовать в газах или газовых смесях. Относительная влажность газа определяется как
%RH = 100 x p/ps, где
p - парциальное давление паров воды, присутствующих в газовой смеси
ps - давление насыщения, или парциальное давление паров над чистой водой при температуре газа

Активность воды (Aw) и температура
Как активность воды (материалы), так и относительная влажность (газы) соотносятся к давлению насыщения (ps) или парциальному давлению паров над чистой водой:
Aw = p / ps
%RH = 100 x p/ps
Давление насыщенных паров (ps) сильно зависит от температуры. При обычной комнатной температуре (ps) увеличивается примерно на 6.2% с каждым увеличением температуры на 1°C. В условиях открытого пространства ненасыщенного парами воды, парциальное давление паров воды (p) не изменяется с температурой. В условиях замкнутого пространства, (p) изменяется пропорционально температуре, выраженной в градусах Кельвина °K (°K = °C + 273.16). при нормальной комнатной температуре, изменения в парциальном давлении паров (p) вызываемые небольшим изменением температуры в °C практически незначимы. Поскольку (p) на зависит от температуры, в то время как (ps) зависит, относительная влажность газов (%RH = 100 x p/ps) сильно зависит от температуры. При относительной влажности 95 %RH и комнатной температуре, увеличение температуры на 1°C приводит к уменьшению относительной влажности примерно на 6 %RH. При относительной влажности 50 %RH и таком же увеличение температуры, уменьшение относительной влажности происходит примерно на 3 %RH.
Активность воды большинства гигроскопичных продуктов не так сильно зависит от температуры. При комнатных условиях данные исследований показывают, что активность воды изменяется, грубо, от 0.0005 до 0.005 Aw (0.05 to 0.5 %RH) при изменении температуры на 1°C.
Это объясняется тем фактом, что парциальное давление (p) над поверхностью продукта изменяется с температурой. Для большинства гигроскопичных продуктов величина изменения парциального давления водяных паров (p) с температурой над их поверхностью почти такая же (но не точно), как величина изменения парциального давления насыщенных водяных паров (ps) над чистой водой.
В итоге, изменение температуры вызывает изменение в парциальном давлении паров воды над гигроскопичным продуктом. В тоже время, парциальное давление паров воды в окружающем продукт воздухе практически не изменяется. Это приводит к тому, что любое изменение в температуре гигроскопичного продукта инициирует обмен влагой с воздухом (или газом) который его окружает. Обмен происходит до тех пор, пока парциальное давление паров воды над продуктом и в окружающем воздухе не выровняется. При измерении активности воды очень важно, по возможности, поддерживать температуру на постоянном уровне.

Применения
Активная часть содержащейся в веществе влаги, или, как теперь ясно, активность воды, обеспечивает более точную информацию по сравнению с общей влажностью, в отношении микробиологической, химической и ферментной стабильности скоропортящихся веществ, таких как продукты питания и семена. По тем же причинам, активность воды не менее значима и в фармацевтической промышленности, где она предоставляет полезную информацию относительно плотности (прочности) таблеток и пилюль или качества нанесения оболочек. Активность воды можно непосредственно сравнивать с относительной влажностью окружающего воздуха для предотвращения изменений в продукте (бумаге, фотографических пленках), для предохранения гигроскопичных порошков (сахарной пудры, соли) от слипания или окаменения, и т.д.
Активность воды может использоваться с некоторыми продуктами (преимущественно синтетическими) как способ косвенного определения общего влагосодержания. Для этих целей необходимо получение изотермы сорбции. Изотерма сорбции - это график, на котором показана связь между активностью воды и содержанием влаги при постоянной температуре. Для большинства природных веществ невозможно получить воспроизводимую изотерму сорбции и активность воды должна рассматриваться в отдельности от содержания влаги.

Определение активности воды в молочных продуктах
по материалам сайта ВНИМИ
Термин "активность воды" (англ. "water activity" - Aw) впервые был введен Скоттом в 1952 г., который доказал, что существует зависимость между состоянием воды в продукте и ростом микроорганизмов в нем.
С этого времени Aw стала важнейшим параметром в консервной промышленности.
Само определение активности рассматривается как отношение фугитивности f (летучести) вещества в некотором состоянии к его фугитивности fs в каком-либо состоянии, принятом за стандартное.
Так как мы рассматриваем водные пищевые среды, то под фугитивностью вещества понимается некоторая величина парциального давления пара над продуктом.
Если за стандартное состояние принять давления пара над чистым растворителем (дистиллированная вода) отношение для Aw примет вид:
Аw = f / fs = p / ps, (1)
где: p - парциальное давление водяного пара над поверхностью продукта;
рs - давление насыщенного пара над чистой водой при температуре продукта.
Так как величина Аw носит термодинамический характер, т. е. характеризует равновесное давление паров воды при определенной температуре, она может быть определена как равновесная относительная влажность деленная на 100.
Аw = Rh / 100, (2)
где: Rh - равновесная относительная влажность, %
Отношение парциальных давлений паров над продуктом и чистым растворителем входит в основную термодинамическую формулу количественного определения энергии связи влаги с материалом (по П.А. Ребиндеру).
-*F = L = RT ln p / ps = RT ln Аw (Дж / моль), (3)
где:
*F - уменьшение свободной энергии системы;
L - работа отрыва 1 моля воды от материала (без изменения состава);
R- газовая постоянная;
Т- абсолютная температура.
На основании литературных данных в таблице 1 представлены величины Аw некоторых молочных продуктов.